你應(yīng)該了解的電力系統(tǒng)新技術(shù)

./01.柔性直流技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型直流輸電技術(shù),國際上也稱為輕型直流輸電<HVDCLight>、新型直流輸電<HVDCPlus>,國內(nèi)將其命名為"柔性直流輸電"。"柔性"一詞來源于英文Flexible,表示應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)為電網(wǎng)提供靈活的控制手段。柔性直流輸電技術(shù)以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制<PWM>技術(shù)為基礎(chǔ),具有響應(yīng)速度快、可控性好、運(yùn)行方式靈活、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、不會出現(xiàn)換相失敗、換流站間無需通信以及易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),適用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電等。柔性直流輸電適用場景柔性直流與常規(guī)直流的特性對比國家電網(wǎng)公司于2011年7月投運(yùn)上XX匯風(fēng)電場柔性直流輸電工程,這是亞洲首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的柔直工程,直流電壓±30kV,換流站容量18MW。在柔性直流輸電技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步構(gòu)成多端柔性直流輸電系統(tǒng),可攜帶來自多個站點(diǎn)的風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉?通過大容量、長距離的電力傳輸通道,到達(dá)多個城市的負(fù)荷中心。2014年,國家電網(wǎng)公司在XXXX建設(shè)了世界首個五端柔性直流輸電工程,采用±200千伏直流電壓,分別在定海、岱山、衢山、洋山、泗礁建設(shè)一座換流站,容量分別為40萬千瓦、30萬千瓦、10萬千瓦、10萬千瓦、10萬千瓦,實(shí)現(xiàn)多個海上風(fēng)電場同時接入和電力輸送。柔性直流輸電技術(shù)路線進(jìn)一步研發(fā)和構(gòu)建柔性直流電網(wǎng),以多能源基地大范圍直流互連為主要特征,為實(shí)現(xiàn)未來風(fēng)、光電力能源大基地外送提供可靠技術(shù)保證。國家電網(wǎng)公司目前規(guī)劃在XX國家級新能源綜合示范區(qū)和冬奧專區(qū)建設(shè)張北可再生能源±500千伏柔性直流電網(wǎng)示范工程<以下簡稱"示范工程">,構(gòu)建輸送大規(guī)模風(fēng)、光、抽蓄等多種能源的4端環(huán)形柔性直流電網(wǎng),預(yù)計2019年投運(yùn)。落點(diǎn)分別在XX的張北縣、康保縣、豐寧縣和北京的延慶區(qū),張北、康保換流站為送端,豐寧換流站為調(diào)節(jié)端,北京換流站為受端。張北、康保、豐寧、北京換流站容量分別為300萬千瓦、150萬千瓦、150萬千瓦、300萬千瓦。示范工程系統(tǒng)接線采用雙極方式,正負(fù)極均可獨(dú)立運(yùn)行,相當(dāng)于兩個獨(dú)立環(huán)網(wǎng)。一極發(fā)生故障后,通過極控系統(tǒng),另一極在設(shè)備通流能力允許情況下,可以轉(zhuǎn)帶故障極功率。張北±500千伏柔性直流電網(wǎng)示范工程示意圖示范工程系統(tǒng)接線采用雙極方式,正負(fù)極均可獨(dú)立運(yùn)行,相當(dāng)于兩個獨(dú)立環(huán)網(wǎng)。一極發(fā)生故障后,通過極控系統(tǒng),另一極在設(shè)備通流能力允許情況下,可以轉(zhuǎn)帶故障極功率。建設(shè)柔性直流環(huán)形電網(wǎng),一是可靠性高,可實(shí)現(xiàn)故障后的潮流轉(zhuǎn)移;二是靈活性好,可實(shí)現(xiàn)多種能源靈活交互,提升利用效率;三是擴(kuò)展性好,易于在送受端擴(kuò)展新落點(diǎn)。通過在張北構(gòu)建柔性直流環(huán)形電網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏、風(fēng)能的晝夜互補(bǔ),以及新能源與儲能電源的靈活能量交互,形成穩(wěn)定可控的電源送至受端電網(wǎng),解決大規(guī)模新能源接入后的系統(tǒng)調(diào)峰問題,減小間歇性能源對受端交流電網(wǎng)的擾動沖擊,實(shí)現(xiàn)新能源的"友好接入"。在歐洲,為了將XX和大西洋的遠(yuǎn)海風(fēng)電、芬蘭和挪威的水電、非洲北部的太陽能接入電網(wǎng),規(guī)劃并實(shí)施了基于柔性直流技術(shù)的全新輸電網(wǎng),用來實(shí)現(xiàn)大范圍可再生能源的優(yōu)化配置。預(yù)計在未來10年內(nèi)歐洲將建設(shè)20條以上的柔性直流工程,用于實(shí)現(xiàn)各個國家之間的互聯(lián)和可再生能源的并網(wǎng)互補(bǔ)。英國、美國也均已規(guī)劃了多條柔性直流輸電工程,在未來20年逐步構(gòu)建柔性直流電網(wǎng),以滿足其可再生能源發(fā)展的需求。歐洲超級電網(wǎng)規(guī)劃02.虛擬同步機(jī)技術(shù)為應(yīng)對能源問題和環(huán)境壓力,社會對能源使用效率的要求不斷提高;同時,風(fēng)能、太陽能等分布式能源大規(guī)模地接入電網(wǎng),一般說來,分布式電源主要通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng),并網(wǎng)逆變器控制策略各異,加之分布式電源輸出功率具有波動性、不確定性等特點(diǎn),很難實(shí)現(xiàn)其即插即用與自主協(xié)調(diào)運(yùn)行。如何保證這些新接入的分布式能源與電力系統(tǒng)兼容成為當(dāng)務(wù)之急。100多年以來,電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷變大,這主要?dú)w功于同步發(fā)電機(jī)的同步機(jī)制。如果能使并網(wǎng)逆變器具有類似同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,那么必將大幅提升分布式發(fā)電的并網(wǎng)安全性與運(yùn)行適應(yīng)性,提高高比例新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。虛擬同步機(jī)正是這樣一種技術(shù),它使得并網(wǎng)逆變器能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、有功調(diào)頻以及無功調(diào)壓等特性,使并網(wǎng)逆變器從內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制和外部運(yùn)行特性上可與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣,從而能夠促進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電上網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性,防止脫網(wǎng);可實(shí)現(xiàn)追蹤電網(wǎng)運(yùn)行,自動分?jǐn)偣β?阻尼電網(wǎng)電壓和頻率過快波動,對電網(wǎng)有天然友好性、全網(wǎng)唯一頻率運(yùn)行,真正實(shí)現(xiàn)"同步"。目前有光伏虛擬同步機(jī)、風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)、儲能虛擬同步機(jī)以及負(fù)荷虛擬同步機(jī)等幾種應(yīng)用形式,也有文獻(xiàn)披露在能量路由器和HVDC中的應(yīng)用。虛擬同步機(jī)技術(shù)可以很好地解決分布式電源與電網(wǎng)的兼容性問題。虛擬慣性J的存在：功率和頻率的動態(tài)過程中具有了慣性阻尼系數(shù)D的存在：具有阻尼系統(tǒng)功率振蕩的能力訊在虛擬同步機(jī)主要技術(shù)特性①自主有功調(diào)頻控制有功頻率控制即有功頻率下垂控制,根據(jù)機(jī)端頻率按照下垂曲線調(diào)整有功功率輸出,模擬同步機(jī)的一次調(diào)頻特性。②自主無功調(diào)壓控制無功調(diào)壓控制即無功電壓下垂控制,根據(jù)機(jī)端電壓按照下垂曲線調(diào)整無功功率輸出,模擬同步機(jī)的無功電壓調(diào)節(jié)能力。③虛擬慣量控制虛擬慣性控制即模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)電暫態(tài)搖擺過程的控制,利用儲能裝置來緩沖逆變器直流側(cè)與交流側(cè)的功率不平衡。④慣量頻率支撐當(dāng)高滲透率新能源系統(tǒng)發(fā)生較大功率缺額時,需要新能源虛擬同步機(jī)模擬傳統(tǒng)同步機(jī)對系統(tǒng)頻率的慣量支撐能力,緩解系統(tǒng)頻率下降速率。⑤虛擬阻尼控制阻尼控制是模擬同步發(fā)電機(jī)電氣阻尼特性的控制,通過控制慣量儲能單元存儲或釋放能量等方式實(shí)現(xiàn)阻尼振蕩,可以用來阻尼虛擬同步機(jī)與系統(tǒng)的機(jī)電振蕩,提高動態(tài)穩(wěn)定性。目前國家電網(wǎng)公司規(guī)劃在張北風(fēng)光儲輸基地開展示范工程建設(shè),建設(shè)世界容量最大的虛擬同步機(jī)示范工程。通過對現(xiàn)有風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電的逆變器和控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,新建大容量集中式虛擬同步機(jī),計劃2017年年底建成。虛擬同步機(jī)大規(guī)模應(yīng)用后可加快功頻振蕩的平息速度,減輕系統(tǒng)故障對電網(wǎng)電壓、頻率的影響,提升系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。張北虛擬同步機(jī)大規(guī)模應(yīng)用后對系統(tǒng)的影響未來的電力系統(tǒng)在采用虛擬同步機(jī)技術(shù)后,發(fā)電設(shè)備和負(fù)荷能夠通過內(nèi)在的同步機(jī)制自主交互,在不需要人工調(diào)節(jié)的情況下就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬同步機(jī)技術(shù)改變了原來僅由發(fā)電端調(diào)節(jié)的單向模式,實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷端和發(fā)電端的雙向調(diào)節(jié)模式。03.半波長輸電技術(shù)我國的一次能源基地與負(fù)荷中心相距甚遠(yuǎn),如新疆煤電基地、XX水電基地到東部負(fù)荷中心的距離約3000km。對超遠(yuǎn)距離、超大容量的電力輸送,半波長輸電技術(shù)<Half-Wave-LengthACTransmission,HWACT>成為一種可行的解決方案。由電路原理可知,輸電本質(zhì)上波的傳播過程,當(dāng)線路足夠長時,在傳輸功率極限和沿線電壓分布等方面會出現(xiàn)許多與常規(guī)輸電線路不同的特性。半波長輸電正是根據(jù)交流線路長度等于一個工頻半波,即3000公里<50Hz>時,輸送功率極限可以達(dá)到無窮大這一特性而確定的輸電方式<適用于理想的無損線路>?；趥鬏斁€和二端口理論推導(dǎo)出可用于工程計算的特高壓半波長交流線路的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。輸電線路的正序參數(shù)可以等效為π形二端口形式。傳輸線二端口π形等值線路無損線路首、末端的有功功率和無功功率方程為：式中δ為首末端電壓相位差,當(dāng)sinδ=1時,線路傳輸?shù)挠泄β首畲?即線路的功率極限為：以自然功率為基準(zhǔn)值,不同線路長度下的極限傳輸功率特性如下圖所示,當(dāng)βl=π或0時,即l=0或3000km時,理論上功率極限趨于無窮大。因此半波長輸電線路的理論傳輸功率遠(yuǎn)大于常規(guī)線路。從理論分析上看,當(dāng)輸送距離為半波長時,輸電特性等同于一條極短電氣距離的輸電線路。理論上輸電功率可達(dá)到無窮大。但實(shí)際的輸送功率要受到沿線電壓分布和線路絕緣水平等因素的制約。對于理想半波長輸電,首端和末端的電壓、電流幅值都相等,相位差180?。因此,末端電壓和末端電流之間的夾角與首端電壓和首端電流之間的夾角相同,電源與負(fù)荷之間的電氣距離接近于零,經(jīng)半波長交流輸電的遠(yuǎn)方電源在某些電氣特性上幾乎等同于受端本地電源。對無損半波輸電線路來說,輸電過程既不消耗和吸收有功,也不消耗和吸收無功,有功和無功都無損地從首端傳到末端。半波長輸電技術(shù)應(yīng)用場景①點(diǎn)對網(wǎng)遠(yuǎn)距離大容量輸電輸電能力可達(dá)到550萬千瓦左右?？紤]半波長輸電自身特點(diǎn),遠(yuǎn)方電源的電氣特性相當(dāng)于就地電源,可實(shí)現(xiàn)全線無功自平衡,無需安裝無功補(bǔ)償設(shè)備,全線無需設(shè)置中間開關(guān)站,可以和直流輸電系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對網(wǎng)輸電,但在輸電距離方面不如直流輸電靈活。未來還可用于6000km、9000km甚至12000km的輸電距離。②送端電網(wǎng)與受端電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)初步的經(jīng)濟(jì)性比較研究表明,半波長輸電與直流輸電相比,單位容量年費(fèi)用具有一定的優(yōu)勢或持平。但值得指出的是,半波長線路不可與普通長度的線路并聯(lián)。但值得指出的是,半波長線路不可與普通長度的線路并聯(lián)?？衫冒氩ㄩL點(diǎn)對網(wǎng)雙落點(diǎn)線路進(jìn)行立體電網(wǎng)構(gòu)建。利用半波長線路電氣距離近似為0的特性,通過兩<多>條起點(diǎn)相同的半波長線路分別落點(diǎn)至受端電網(wǎng)不同的點(diǎn),即可將受端電網(wǎng)內(nèi)2<多>個相隔較遠(yuǎn)的落點(diǎn)通過半波長線路及其共同送端聯(lián)接在一起,構(gòu)建"立體電網(wǎng)"。"立體電網(wǎng)"可極大改變電網(wǎng)形態(tài),大大縮短落點(diǎn)之間的電氣距離,將顯著改變同步電網(wǎng)的結(jié)構(gòu),明顯改善同步電網(wǎng)的穩(wěn)定性,提高同步電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)的直接同步功率支援能力。04.調(diào)相機(jī)技術(shù)同步調(diào)相機(jī)的結(jié)構(gòu)基本上與同步電動機(jī)相同,不帶機(jī)械負(fù)載也不帶原動機(jī),在需要時向系統(tǒng)快速提供或吸收無功功率。在我國電網(wǎng)發(fā)展過程中,如省間聯(lián)網(wǎng)初期,由于電壓等級低、輸電距離遠(yuǎn)<多采用220kV線路遠(yuǎn)距離輸電>,系統(tǒng)功角和電壓穩(wěn)定問題突出,通過在受端電網(wǎng)配置調(diào)相機(jī)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。上世紀(jì)八十年代以來,500kV電網(wǎng)發(fā)展加快,受端電網(wǎng)裝機(jī)容量快速增加,替代了調(diào)相機(jī)作用,系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提高。隨著調(diào)相機(jī)設(shè)備老化,逐漸退出了電網(wǎng)運(yùn)行。國外從上世紀(jì)五十年代開始有多個國家應(yīng)用調(diào)相機(jī)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如瑞典、阿根廷、加拿大、埃及、巴西等國家在大規(guī)模水電基地遠(yuǎn)距離外送的受端變電站加裝調(diào)相機(jī)。法國、日本電網(wǎng)早期使用調(diào)相機(jī)較多,隨著電網(wǎng)網(wǎng)架加強(qiáng)和電源增加,法國調(diào)相機(jī)沒有新的增加。日本東京地區(qū)在1987年7月23日發(fā)生靜態(tài)電壓崩潰事故后,增加了抽水蓄能、調(diào)相機(jī)和SVC等動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。隨著我國特高壓直流的快速發(fā)展、清潔能源的大規(guī)模開發(fā)、大比例受電地區(qū)的集中出現(xiàn),電網(wǎng)特性發(fā)生較大變化,部分地區(qū)動態(tài)無功儲備下降、電壓支撐不足的問題愈發(fā)突出,電壓穩(wěn)定問題成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問題之一。客觀要求直流大規(guī)模有功輸送,必須匹配大規(guī)模動態(tài)無功,即"大直流輸電、強(qiáng)無功支撐"。為提高電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償能力,增加地區(qū)電網(wǎng)動態(tài)無功儲備水平,有效解決電壓支撐不足的問題,需要在電網(wǎng)中加裝調(diào)相機(jī)等動態(tài)無功設(shè)備,提高電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償能力。目前國內(nèi)的電機(jī)設(shè)備制造廠商正在積極研制新型調(diào)相機(jī),具備大容量<額定容量最大300Mvar>、少維護(hù)的特點(diǎn),同時其瞬時無功輸出能力、暫態(tài)無功響應(yīng)速度及過載能力相比傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)大大提高,是提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性、滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求的新一代設(shè)備。調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成:調(diào)相機(jī)本體、勵磁系統(tǒng)、升壓變、起動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)、控制保護(hù)系統(tǒng)調(diào)相機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：技術(shù)優(yōu)點(diǎn)1.具備過載能力且無功輸出受系統(tǒng)電壓影響小。在強(qiáng)勵作用下可短時間內(nèi)發(fā)出超過2倍額定容量的無功,并且對于持續(xù)時間較長的故障可提供較強(qiáng)的無功支撐。2.具備次暫態(tài)特性。能夠在故障發(fā)生瞬間發(fā)出/吸收大量瞬時無功,支撐電網(wǎng)電壓,抑制直流換相失敗/工頻過電壓等。3.具備深度進(jìn)相能力。調(diào)相機(jī)最大進(jìn)相能力約為額定容量的2/3。4.運(yùn)行穩(wěn)定性好。調(diào)相機(jī)基于傳統(tǒng)的同步電機(jī)技術(shù),設(shè)備和控制技術(shù)成熟,抗干擾能力強(qiáng),運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。5.使用壽命長,占地面積小。調(diào)相機(jī)使用壽命約30年,占地面積約為同容量SVC的1/3。技術(shù)缺點(diǎn)1.增加短路電流。故障時調(diào)相機(jī)將向系統(tǒng)輸出短路電流,不適用于短路電流問題突出的電網(wǎng)。2.旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)維相對復(fù)雜,功率損耗不高于1.5%。3.調(diào)相機(jī)調(diào)節(jié)速度要慢于SVC、STATCOM,調(diào)相機(jī)從正常無功出力至輸出最大強(qiáng)勵無功功率的時間約1.2s。目前國家電網(wǎng)公司規(guī)劃在多個已投運(yùn)/在建的特高壓直流工程送受端換流站或近區(qū)電網(wǎng),以及北京、XX地區(qū)電網(wǎng)共加裝約多臺調(diào)相機(jī),以滿足系統(tǒng)動態(tài)無功需求。以華東電網(wǎng)為例,在長三角地區(qū)加裝12臺調(diào)相機(jī),可有效地減少多回直流同時換相失敗的機(jī)率。05.統(tǒng)一潮流控制器統(tǒng)一潮流控制器<unifiedpowerflowcontroller,UPFC>的概念最早由美國Westinghouse公司的L.Gyugyi在1992年提出,是迄今為止功能最全面的FACTS裝置。UPFC由兩個<或多個>共用直流部分的電壓源換流器分別以并聯(lián)和串聯(lián)的方式接入輸電系統(tǒng),可以同時或選擇性地控制輸電線路的電壓、阻抗、相位,實(shí)現(xiàn)線路有功、無功潮流控制,并可提供獨(dú)立可控并聯(lián)無功補(bǔ)償。UPFC具有靈活控制系統(tǒng)潮流、提高電網(wǎng)傳輸能力及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種功能。技術(shù)原理：典型的UPFC裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示,由兩個背靠背、共用直流母線的電壓源換流器構(gòu)成。其中,換流器1、換流器2對應(yīng)的換流變壓器分別以并聯(lián)、串聯(lián)形式接入,有功功率可以在兩個換流器之間雙向流動,每個換流器的交流輸出端都可獨(dú)立地發(fā)出或吸收無功功率。圖中,換流器2的功能是通過串聯(lián)變壓器給線路注入幅值和相角均可控的電壓向量。通過調(diào)整注入電壓的幅值、相位,能夠?qū)崿F(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、阻抗調(diào)節(jié)、相角調(diào)節(jié)等多種功能,可以對線路有功和無功潮流進(jìn)行獨(dú)立解耦控制。換流器1的功能是通過公共直流母線提供或吸收換流器2進(jìn)行潮流控制時與系統(tǒng)交換的有功功率,以維持直流母線電壓恒定,保證換流器2正常工作,同時換流器1還能發(fā)出或吸收無功,發(fā)揮動態(tài)無功補(bǔ)償功能。從結(jié)構(gòu)上看,UPFC是將靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器<staticsynonousseriescompensator,SSSC>作為串聯(lián)電壓源、靜止同步補(bǔ)償器<staticsynonouscompensator,STATCOM>作為并聯(lián)電流源集成到一起而形成的潮流控制器,但其功能較SCCC、STA